Teplárny na horkou vodu (1948)

Teplárny na horkou vodu

Ing. Jaroslav Pokorný, Praha

S ohledem na hospodárné využití energie v tepelných elektrárnách stavějí se dnes s výhodou moderní teplárny na horkou vodu, v městech s celkovou spotřebou tepla v průmyslu, jež mají různé přednosti oproti topení parou.

Rostoucí potřeba elektrické energie k všemožným účelům nutí k největší šetrnosti s každou kalorií a s každou získanou kWhod., hlavně ovšem v státech, které nemají takřka nevyčerpatelné bohatství spalitelných látek v zemi a v ks vodních děl. 

I když už dnes začínáme věřit, že se vědcům a technikům podaří zdolat úkol, kterým se zabývají hlavně v státech technicky nejvyspělejších, tj. vyrobit racionálně elektrickou energii z atomové, není tím ještě zaručeno, kdy se tak stane a jaká bude hospodárnost těchto nových elektráren pro jednotlivé země. Proto neochabuje úsilí, především v zemích s malým bohatstvím laciných zdrojů energetických, snížit výdaje za kWhod. na mez co nejnižší. Proto slyšíme v územích s vydatnými vodními silami o velkých nákladech na výstavbu akumulačních přehrad, které jsou ve Spojených státech amerických dokonce schopné vyrovnat různě velká množství vody jednotlivých za sebou jdoucích let. Tyto jsou v nové době doplňovány pohotovými plynovými turbinami, jež při dostatečné reservě nafty umožňují krajní využití akumulované vody až takřka na dno nádrží. Tato snaha po využití co nejvíc kalorií z každého kg uhlí bude stupňována hlavně tam, kde je uhlí namále, nebo se dokonce dováží.

Poněvadž z tepla potřebného k výrobě páry užité v parních strojích dělá podstatnou část tepla pro proměnu vody v páru, je dále z uvedených důvodů pochopitelná snaha zužitkovat tuto část co možná celou a lukrativně i zlepšit tak hospodárnost výroby pohonné energie. To vedlo ke známé kombinaci – hlavně v městech s vhodným průmyslem – elektráren s teplárnami, tj. s podniky, které zásobují teplem různé průmyslové závody, veřejné budovy a i obytné domy. Přitom se ukázalo, že hospodářsky nejvhodnější je použití protitlakých turbin s dálkovým topným potrubím, hlavně s horkou vodou, neboť tato kombinace umožňuje při vysokém tlaku páry využít co největšího spádu na výrobu elektrické energie, kdežto výparné teplo se skoro úplně spotřebuje pro účely topné. Předpokladem je pouze, že se oboje potřeby co možná kryjí. To ovšem bývá zřídka a nutí sáhnout k výpomoci, která zhoršuje celkovou hospodárnost. Avšak i tu lze často dosáhnout – hlavně při uvedeném vytápění horkou vodou -  uspokojujících výsledků při správně volených a umístěných tepelných akumulátorech.

Byly vypracovány různé systémy topení horkou vodou, z nichž bude blíže popsán nejvíce rozšířený systém, který používá čerpadla k dopravě horké vody na potřebná místa. Voda má výhodu, že změnou teploty a tlaku téměř nemění svůj obsah. To umožňuje vybudovat celé topení jako jednoduché okružní potrubí bez automatických regulátorů apod. zařízení, jež fungují bezvadně jen po určitý čas, nevynaloží-li se velkých výdajů na jejich udržování. Tato zařízení zvyšují ostatně spotřebu paliva u topení parou. Horká voda se dá rozvést do velkých vzdáleností, bez ohledu na výškové rozdíly, při čemž se její vstupní teplota skoro nemění. V zásadě se takové topné zařízení na horkou vodu skládá z kotle, čerpadla, topných ploch a spojujícího vedení. V kotli jsou do vody sahající trubky, jež slouží k odvádění a přívodu vody. Náplň kotle se nemění, poněvadž síť potrubí tvoří uzavřený obvod. Není třeba se starat o napájecí čerpadla. Stačí, aby obsluhující personál dbal na udržování ohně. Vnitřní plochy kotle se nezanášejí a netvoří se kotelní kámen, čímž se zlepšuje využití paliva. Teplota vody závisí na tlaku a je např. při 8 at asi 174^o C. Z kotle přitéká horká voda do odstředivého čerpadla, které ji tlačí do topných těles, v nichž se teplo odvádí. Tím se ochladí a vrací se zpátečním potrubím zpět do kotle. Rozdíl teploty, který je u normálního topení teplou vodou 15^o až 20^o C se volí podle provozu a hospodárného hlediska různě veliký, při čemž se obecně pohybuje mezi 40^o až 100^o C; ve zvláštních případech je i menší. Při dopravě stejného množství tepla stačí při 100^o C rozdílu v teplotě dopravit pouze 1/5 vody potřebné při 20^o C rozdílu. Při topení horkou vodou se tedy vystačí s mnohem menšími průřezy potrubí než při normálním topení s teplou vodou nebo dokonce parou. Mícháním vody přiváděné s odváděnou lze dosáhnout v každém bodě sítě potřebných teplot, čehož se často využívá, hlavně i při změně poměrů. Výkonnost sušičů, odpařovačů apod. se reguluje obecně přiškrcováním příslušných ventilů. Tím lze dosáhnout při současném použití uvedeného míchání, že i největší topné plochy se ohřívají úplně stejnoměrně, což při použití páry není možné. Také se může teplota povrchu měnit v rozsáhlých mezích.

Užije-li se kotlů jen k ohřívání vody, bývá jejich účinnost o 2 až 4 % lepší než u páry nejen vzhledem na zmíněnou čistotu stěn, nýbrž i na větší tepelný spád mezi topnými plyny a vodou jako u páry, která má vždy vyšší teplotu. Potřebná voda pro toto topení se může upravit mimo kotel ve zvláštní nádobě mícháním vody s parou, při čemž voda se jemně rozprašuje v prostoru nasyceném parou, nebo pára proudí do vody. Nádoba na přípravu vody tvoří současně vyrovnávač pro roztahování potrubí teplem. Takové nádoby pracují celkem nehlučně a oteplují vodu téměř na teplotu syté páry. Užívá se jich tehdy, má-li větší počet kotlů přispět k přípravě horké vody a nejsou-li tyto vedle sebe, nebo je-li k disposici pára z protitlakých turbin, jak je tomu u elektráren, které jsou současně teplárnami. Míchací předhřívače mají ve srovnání s jejich výkonem výměny tepla celkem malé rozměry a mohou být umístěny nad, pod i vedle kotlů. Slouží-li několik zdrojů páry s různým tlakem k výrobě horké vody, užívá se částečně topných ploch jejich potrubí k výměně tepla. Někdy se slučují míchací a povrchové předhřívače ve společném zařízení a tím se celé zařízení hodně zjednoduší.

Nejzajímavější je kombinace elektrárny s teplárnou, jejíž nejjednodušší vidíme na obr. 3. Hospodárnost těchto zařízení závisí na tom, jak dalece je možno průměrné zatížení elektrárny přizpůsobit spotřebně topného zařízení; jinak je třeba použít turbin s odběrem páry akumulátorů. Voda je zahřívána v popsaných nádobách. Vyjde-li se pro průmyslové provozy s 3 at, bude mít voda ještě ve vzdálenosti asi 2000 m od teplárny 140^o C, což pro většinu technologických úkonů stačí. Kdyby se užilo páry, měla by tato na konci vedení stejně dlouhého nejvýš 1,5 až při 127^o C, i když se použije potrubí s velkým průměrem, které je poměrně drahé; v místech spotřeby se musí mimo to uspořádat zvláštní zařízení pro zpětnou dopravu kondensátu, při čemž se ho ztrácí víc než 35 % a někdy dokonce všechen. Kondensační voda vzhledem na styk se vzduchem stává se méněcennou pro provoz elektrárny. Při topení horkou vodou se voda nemění. Topná část vody může převzít řadu úloh, pro něž by jinak bylo třeba zvláštních zařízení. To platí o využití vody v dálkových vedeních jako zásoby horkého kondensátu, o stavebním sloučení zásobníků pro vodu napájecí a na vyrovnávání tepla, jakož i o náhradě předhřívacích stupňů a odlučovačů plynů zařízením vyrábějícím horkou vodu. Poněvadž ztráty vody v sítích na horkou vodu jsou skutečně nepatrné – např. v odběrné síti na 80 mil. kcal pouze 75 l/hod, odpadají velké stanice pro úpravu vody a odpařovací stanice, jichž je třeba při topení párou. Nádrže pro přípravu horké vody se stavějí vždy ve zvláštní místnosti poblíž parních turbin. Čerpadla na horkou vodu bývají umístěna přímo pod zmíněnou místností, aby se tím získala potřebná výška pro přítok vody. Přebytečná voda, která se sráží při míchání páry s vodou z potrubí, odvádí se samočinně do nádrže pro napájecí vodu nebo se čerpá automaticky přímo do vysokotlakého kotle. Ústřední regulační zařízení teploty umožňuje nastavení libovolných teplot v celé rozvodné síti. Má-li se však nejdříve přepojit jen zvláště důležitá skupina spotřebičů tepla na topení s horkou vodou, může se postavit zařízení na výrobu horké vody výhodně i do továrního oddělení, kde je této vody třeba. V obr. 6 je naznačeno upotřebení zásobníků tepla v sítích s horkou vodou.

Spotřeba čerpadel závisí na teplotě, rozloze sítě a na vlastnostech spotřebičů tepla. Jejich účinnost je pro malý tlak poměrně vysoká (až 80 %). Síť na 2 mil. kcal/hod potřebuje při 40 t dopravované vody do výšky 15 m výkon asi 2,3 kW na hřídeli čerpadla. Teplo v topných tělesech lze regulovat přiškrcením přípojných ventilů, při čemž nejsou tím ovlivňována ostatní tělesa. Je-li třeba udržet teplotu v topných plochách na určité výši, užívá se zmíněné smíšené regulace, která se ev. soustřeďuje do ústředního místa a tam také kontroluje automatickým řízením. Celé zařízení má měřiče tepla a množství protékající vody. Velmi dobrým prostředkem ke kontrole provozu jsou tepelná počitadla. Potrubí jsou z bezešvých, autogenně svářených ocelových trubek, při čemž jsou obvykle vedení k spotřebičům i zpětná uložená v témže kanále. K vyrovnávání prodloužení potrubí teplem se užívá oblouků. Rozměry potrubí závisí na jejich délce, teplotě vody a hlavně na požadované hospodárnosti, jsou však skoro vždy menší než u potrubí parních. Jejich použitelnost je téměř neomezená, poněvadž voda nemá možnost znečištění plyny a kyselinami. K regulaci a uzavírání jednotlivých částí jsou ventily a šoupátka. Ztráty tepla jsou omezeny isolacemi. Teplota klesá pak jen o 0,5^o až 1^o na 1000 m délky. Z potrubí je možno napájet také tělesa na teplou vodu, při čemž se však naznačeným racionálním způsobem sníží teplota na 45^o až 80^o C. Je-li třeba páry pro určité provozy, postaví se tepelný odpařovač, topený horkou vodou. Takové tepelné transformátory mívají automatickou regulaci na určitý tlak nebo teplotu.

U tepláren jde nejen o vytápění různých místností, nýbrž hlavně různých průmyslových zařízení. Výhoda popsaného systému je v tom, že potrubí má i na nejvzdálenějším místě od kotelny k dispozici horkou vodu téměř stejné teploty, takže postavení spotřebičů prakticky nezávisí na vzdálenosti od výrobny horké vody. Přitom se spotřebiče vzájemně neovlivňují, jak tomu bývá u páry vzhledem k úbytku tlaku. Topná tělesa jsou ponejvíc: plotny, trubkové závity, žebrová nebo kulatá tělesa. Je téměř vždy možno přepojit na horkou vodu tělesa, která byla dosud ohřívaná parou, při čemž dochází často i ke zvýšení tepelné výkonnosti, jelikož odpadá kondensát nebo plyny v tělesech. Tekutiny se oteplují trubkami, čímž odpadá foukání páry, které zaviňuje často velké mrhání teplem a vede někdy k nežádoucímu rozředění koupelí kondensátem, jakož i k jejich znečištění strhnutými částicemi z potrubí nebo solí z kotlů. Má-li se použít páry pro její vlastnosti, např. k vulkanizaci gumy, postaví se na příhodném místě malý odpařovač, topený horkou vodou, nebo se výroba páry vestaví přímo do zařízení.

Pro naznačené vlastnosti je možno použít topení horkou vodou skoro ve všech oborech průmyslu, a to např. k praní, bílení, moření, sušení a hlavně i k barvení. Jen namátkou chceme upozornit na některé továrny, v nichž je používání horké vody k topení takřka samozřejmé. Jsou to např. textilní závody všeho druhu, tj. přádelny, tkalcovny a barvírny, kde velmi záleží na tom, aby barva byla co možná pravidelně rozdělena na jednotlivá vlákna, při čemž se nesmí náhle a nadměrně zahřát. Proto musí mít barvírny topná zařízení o stálé výkonnosti a s jemnou regulací. Ze stejných důvodů se osvědčilo popsané topení v prádelnách, kde je např. jeho hlavní výhodou jednoduchá obsluha a málo oprav. Velkého rozšíření došlo u dýháren apod. podniků. Hodí se tu obzvláště pro přípravu dřeva a lepení překližek, pro snadnou a přesnou regulovatelnost stejnoměrného oteplování celých ploch. Důležité je dále u zpracování gumy při vulkanizaci, jejíž dobrý výsledek závisí na dodržení určitých teplot. Topení horkou vodou se dá také spojit s chlazením, aniž by bylo třeba odstranit páru z topných těles, čehož se např. užívá při výrobě gumy. Další průmysly jsou kabelovny, kde se klade zvláště velká váha na jemnou a jednoduchou regulaci tepla, a jatky, kde se dosahuje s regulací, zčásti automatickou, velkých úspor. Z toho všeho vyplývá, že by se nemělo zřizovat žádné topení – hlavně průmyslové – aniž by se neprozkoumala přesně otázka, zdali se pro ně nehodí topení horkou vodou.

Strojnický obzor, srpen 1948